capítulo 1. introducción a la instrumentación virtual

Alexsl/Global Network/Photos.com Oleksiy Mark/Tablet PC and side slider touchscreen smartphone/Photos.com

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Instrumentacin virtual. Fundamentos de programacin grfica con LabVIEW

Olga Yakovenko/background with arrows/Phoros.com

Mapa de contenidosInstrumentacin virtual Fundamentos de programacin grfica con LabVIEW

Alina Pavlova/Screens w

ith program w

eb code / m

onitor background/Photos.com

Olga Yakovenko/background with arrows/Photos.com


Introduccin del eBook

En la actualidad, los sistemas de monitoreo y control de procesos se realizan bajo es-quemas de instrumentacin virtual debido al constante avance tecnolgico que experimenta-mos. Los sistemas de instrumentacin virtual son ampliamente utilizados por su bajo costo, gran fle-xibilidad y reconfigurabilidad, as como por su alto rendimiento y ahorro considerable en tiempo de desarrollo; razn por la cual constituyen una evo-lucin natural respecto a los sistemas tradiciona-les de instrumentacin.

El LabVIEW es un lenguaje de programacin grfico, adoptado en la industria y en la academia, como estndar para el desarrollo de sistemas de

instrumentacin virtual, dado su poderoso conjunto de bibliotecas de funciones que permite el desarro-llo de algoritmos complejos de procesamiento de seales, adems de permitir la comunicacin con cualquier protocolo de comunicaciones e interfaces de hardware y software existentes.

Comstock/ Silhouettes of global business people meeting/Photos.com

Pho

tos.

com

Peter Nguyen/Secure data/Photos.com

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Comstock/ Silhouettes of global business people meeting/Photos.com

Adicionalmente, el LabVIEW es la plataforma estandarizada para la adquisicin de datos y el control de instrumentos que son pieza fundamental en los sistemas de instrumentacin virtual. Estos sistemas de instrumentacin virtual programados mediante el uso del software LabVIEW permiten el monitoreo y control de cualquier variable fsica que desee ser procesada por computadora, y rea-lizan la implementacin de algoritmos matemti-cos con el objeto de visualizar resultados grfica-mente, o de comunicarlos con sistemas remotos mediante el uso de interfaces inalmbricas; todo esto engloba las caractersticas de cualquier sis-tema de instrumentacin virtual.

El presente libro electrnico pretende ser una herramienta para desarrolladores de la acade-mia y la industria que deseen conocer los fun-damentos de programacin grfica, utilizando el

software LabVIEW, y que les permita, adems, la implementacin de sistemas de instrumentacin virtual a partir de los conceptos del lenguaje y de la funcionalidad de las herramientas del progra-ma. El libro utiliza la versin ms actualizada del software (LabVIEW Professional 2010 SP1) con el objeto de incluir los cambios o modificaciones ms recientes en algunas funciones y elementos de programa, para que sean interpretados por los usuarios.

Adems, se incluye la descripcin operativa de cientos de funciones, incorporando ejemplos de aplicacin para cada una de las mismas, lo cual se espera apoye en la comprensin de los temas expuestos. Asimismo, se presentan ejercicios pro-puestos utilizando dispositivos de uso actual que son empleados en aplicaciones reales hoy en da. Por su parte, las animaciones presentadas permi-

ten una mejor comprensin de los procedimientos grficos de programacin.

Los captulos han sido estructurados de ma-nera que se pueda iniciar el estudio del lenguaje a partir de conceptos muy bsicos y hasta temas avanzados. El mecanismo de interaccin con el lector se ha desarrollado de modo que le permita la navegacin no lineal del contenido, para avan-zar a su propio ritmo en el estudio del lenguaje LabVIEW. El uso de recursos didcticos basados en multimedia tiene como objetivo el presentar una gama ms variada de elementos de progra-ma, que permitan el entendimiento de conceptos y reglas del lenguaje de una manera ms eficien-te, intentando que el lector desarrolle sus propias aplicaciones virtuales a partir de la preparacin estructurada de esquemas de instrumentacin virtual.

Vicente Barcelo Varona/Monitor showing binary code in a black background/Photos.com

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Organizador temtico

Alex Slobodkin/Internet Concept/Photos.com


Captulo 1. Introduccin a la instrumentacin virtual

Alex Slobodkin/Internet Concept

/Photos.com


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1. Introduccin a la instrumentacin virtual

A lo largo de la ltima dcada, el uso de la tecnologa ha sido un factor clave para el mejoramiento de los sistemas electrnicos basados en equi-pos de cmputo, tanto estacionarios como mviles, el uso cada vez ms comn de dispositivos mviles mediante sistemas distribuidos as como el mejoramiento de los procesos de manufactura y produccin representan claramente el constante avance tecnolgico de la sociedad actual (Rosen-bloom, 2002, pp. 29-30). Todo ello involucra el uso de nuevos sistemas de instrumentacin a travs de la utilizacin de modernos equipos de hardware mediante el uso de software novedoso que contrasta el esquema tradicional de los lenguajes de programacin.

La instrumentacin virtual supone un nuevo enfoque de la instrumenta-cin tradicional que incorpora nuevas caractersticas y elementos de sistema aadiendo mejoras tecnolgicas basadas en las innovaciones cientficas, adems de reducir los costos de la produccin de los sistemas y beneficiar el uso de nuevas tecnologas logrando un mercado ms amplio y una plata-forma de diseo extremadamente flexible y eficiente (Denning, 2001, p. 73).

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La instrumentacin virtual ha tenido, en los ltimos aos, un crecimiento exponencial en reas tecnolgicamente a la vanguardia y continuar su progresin hacia horizontes poco imaginables hoy en da.

Abstract binary background and hand/Photos.com

Introduccin a la instrumentacin virtual


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Glosario1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.1. Evolucin de la instrumentacin

Histricamente, los sistemas de instrumentacin tradi-cional se han basado en el uso de aparatos o instrumen-tos de medicin individuales, los cuales incluyen el uso de sensores o transductores para adquirir variables fsicas y convertirlas a seales elctricas que el usuario pueda inter-pretar para su posterior registro o procesamiento (Denning, 2001). Sin embargo, en dichos sistemas se tienen varios inconvenientes que incluyen el hecho de que se requieran diferentes aparatos fsicos para medir mltiples variables, con la desventaja que representa la portabilidad de los mis-mos; adems, dichos aparatos pueden incluir diferentes in-terfaces o no incluirlas, lo cual ocasiona que no puedan ingresarse los datos a la computadora de manera autom-tica. Lo anterior representa las mayores desventajas en el uso de sistemas de instrumentacin tradicionales, ya que no se tiene interaccin con equipos de cmputo en tiempo real, aunado a la nula posibilidad de comunicacin inalm-brica y aplicaciones mviles.

Debido a esto, la instrumentacin se ha caracterizado por un incremento continuo en cuanto a flexibilidad y esca-labilidad de equipos e instrumentos de medicin, as como de las interfaces que permitan ingresar datos a alta velo-cidad en la computadora para su posterior anlisis y pro-cesamiento. Todo esto ha llevado al nacimiento de la ins-

trumentacin virtual, el cual es un trmino asociado al uso de instrumentos virtuales (virtual instruments o VIs) dado que se encuentran dentro de la computadora y mediante los cuales se pueden desarrollar aplicaciones computacio-nales basadas en interfaces grficas de usuario (graphical user interfaces o GUIs) (Goldberg, 2000, pp. 10-13).

Actualmente se utiliza la instrumentacin virtual en to-dos los mbitos de la vida real puesto que tiene una in-mensa gama de aplicaciones. Su xito principal se debe al rpido y constante avance en equipos computacionales, al bajo costo y alto rendimiento que representa, comparado con la instrumentacin tradicional; y al creciente desarrollo de sistemas para diseo de software, aunado a la fcil ac-cesibilidad para la mayora de los usuarios.

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Interfaz grfica de usuario (graphical user interfaz o GUI)Cdigo de programa que utiliza un conjunto de imgenes y objetos gr-ficos para representar informacin y elementos disponibles que permi-ten la interaccin del usuario de una manera eficiente con la aplicacin. Su principal funcin consiste en propor-cionar un entorno visual sencillo que permita la comunicacin con el siste-ma operativo de una computadora.

Adquisicin de datos (data acquisi-tion o DAQ)Proceso mediante el cual se miden parmetros fsicos reales de variables como voltaje, corriente, temperatura, flujo, nivel, posicin, etc.

Dicha interaccin entre la computadora y usuario se realiza utilizando un lenguaje de programacin grfico y permite la adquisicin de datos, el procesamiento de la informacin y el despliegue y registro de la misma.

1.1. Evolucin de la instrumentacin


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Glosario1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.1. Evolucin de la instrumentacin

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Por estas razones, la instrumentacin virtual representa una enorme ventaja tecnolgica respecto al uso de sistemas de instrumentacin tradicionales; lo cual implica el reto natural de adaptarse al continuo avance tecnolgico y representa la oportunidad de desarrollar aplicaciones novedosas en infinidad de reas de estudio, teniendo el suficiente conocimiento y preparacin en el modelo de diseo de sistemas basados en instrumentacin virtual.

Igor Kolychev/AsciiArt/Photos.com


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Glosario1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.2. Adquisicin de datos

La adquisicin de datos (data acquisition o DAQ) es un proceso mediante el cual se miden parmetros fsicos rea-les de variables como voltaje, corriente, temperatura, flujo, nivel, posicin, etc. Dicha informacin se ingresa a la com-putadora para su posterior anlisis y procesamiento con el fin de obtener una salida de informacin; la cual puede ser almacenada, desplegada en pantalla o enviada a un sitio remoto utilizando algn mtodo de transmisin inalmbrica (Sachenko, 2002, pp. 97-100).

Para realizar el proceso de adquisicin de datos se re-quiere el uso de un sensor o transductor, el cual proporcio-na seales elctricas proporcionales a la magnitud fsica de la variable a medir. Dicho sensor se puede conectar a

la computadora utilizando tarjetas electrnicas para adqui-rir seales, o bien, puede provenir de sitios remotos si la adquisicin se realiza mediante dispositivos de conexin inalmbrica tales como Bluetooth, WiFi o ZigBee. Adems, tambin se pueden tener seales que provengan de puer-tos o buses de comunicacin asociados a la computadora como son el puerto serial, el puerto USB o interfaces PCI-X. Adicionalmente se puede hacer uso de interfaces indus-triales como GPIB (General Purpose Interfaz Bus) o PXI (Compact PCI Extensions), por citar algunas.

En general, la adquisicin de datos se puede realizar tanto para ingresar seales a la computadora como para extraer seales de la misma; aunque el trmino adquisi-cin implica solamente adquirir o ingresar datos. El mto-do bsico para realizar la manipulacin de los datos incluye el uso de tarjetas de adquisicin (DAQ boards), las cuales son dispositivos que se encargan de adquirir seales fsi-cas provenientes de los sensores y de generar seales fsi-cas provenientes de datos procesados por la computadora. Las tarjetas de adquisicin son la base de la instrumenta-cin virtual, ya que mediante su uso se realiza la comuni-cacin de parmetros fsicos del mundo real con la compu-tadora lo cual permite interactuar fsicamente con seales tanto virtuales como reales (Santori, 1990, pp. 36-39).

Las tarjetas de adquisicin pueden adquirir o generar seales de acuerdo a su funcionalidad y caractersticas co-

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Sensor o transductorDispositivo utilizado para la adquisi-cin de datos que proporciona sea-les elctricas proporcionales a la magnitud fsica de la variable a medir.

1.2. Adquisicin de datos

Aliaxei Shupeika/Black USB hub/Photos.com


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1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.2. Adquisicin de datos

merciales. En general, se pueden configurar para su uso en dos modos di-ferentes, los cuales a su vez se pueden subdividir en tres modos:

En estos seis casos diferentes se pueden manipular seales tanto anal-gicas como digitales provenientes de sensores que midan algn parmetro fsico o generar seales fsicas procesadas por la computadora. Ejemplos de parmetros fsicos medidos y/o generados por las tarjetas de adquisicin son:

El uso de las tarjetas de adquisicin involucra el uso de convertidores anlogo-digital (ADCs) y convertidores digital-anlogo (DACs) para la con-versin de las seales de analgica a digital y de digital a analgica, respec-tivamente, ya que las seales procesadas por la computadora son seales digitales y se requiere del proceso de conversin. Adems, se tienen proce-sos de acondicionamiento de las seales para su manipulacin correcta, los cuales involucran mtodos de amplificacin, filtrado, aislamiento y/o linea-lizacin para evitar efectos negativos como el ruido, sobrecargas, aliasing, no linealidad y otros. Lo anterior indica que el uso correcto de las tarjetas de adquisicin conlleva la aplicacin de conocimientos en diferentes reas de ingeniera, la cual representa una herramienta poderosa para el diseo y desarrollo de aplicaciones relacionadas con la instrumentacin virtual.

Temperatura

Posicin

Anchosde pulso

Corriente

Presin

Posicin linealo angular

Voltaje

Frecuencia

Aceleracin

Resistencia

Fuerza

Conteo de tran-siciones o flan-cos de subida (rising edge) o bajada (faalling

edge)

Adquirir seales

Adquisicin de seales analgicas

Adquisicin de seales digitales

Adquisicin de seales de un contador/temporizador

Generar seales

Generacin de seales analgicas

Generacin de seales digitales

Generacin de seales de un contador/temporizador

Jason Pickford/Networking/Photos.com


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1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.3. Lenguajes de programacin virtual

Hoy en da se tienen varios lenguajes de programacin los cuales pueden utilizarse para desarrollar aplicaciones de instrumentacin virtual en diferentes reas de estudio. Estos lenguajes tienen en comn el hecho de que se ba-san en conjuntos de instrucciones de texto creando lneas de cdigo. Como ejemplos de estos lenguajes se tienen: C/C++, C#, Java, Phyton, por mencionar los ms utiliza-dos. Dichos lenguajes ofrecen diferentes ventajas y des-ventajas entre s, las cuales permiten el desarrollo de inter-faces virtuales aplicables a la instrumentacin.

Sin embargo, la instrumentacin virtual se basa en la in-teraccin del usuario con interfaces computacionales gr-

ficas para el control y monitoreo de sistemas fsicos, por lo cual los lenguajes grficos ofrecen mayores ventajas res-pecto a los lenguajes tradicionales basados en texto (Gol-dberg, 2000). El lenguaje grfico tambin llamado len-guaje G ms utilizado para desarrollar aplicaciones de instrumentacin virtual es el LabVIEW (Laboratory Vir-tual Instrument Engineering Workbench) desarrollado por la empresa National Instruments en 1986, el cual elimina mltiples detalles sintcticos asociados con los lenguajes basados en texto, ya que se trata de un modelo de progra-macin grfica con el cual se tienen diferentes ventajas en relacin a los lenguajes mencionados anteriormente. Por esta razn, se ha constituido, en la actualidad, como el es-tndar para aplicaciones de instrumentacin virtual (Natio-nal Instruments, 2011).

Los cdigos grficos incluyen una interfaz de usuario completamente grfica y un cdigo fuente basado en el uso de bloques de conexin interconectados mediante cables. La creacin de los lenguajes de programacin grfica, y su inherente evolucin, ha permitido el desarrollo de mlti-ples protocolos e interfaces de comunicacin creados con el objetivo de abarcar una amplia gama de aplicaciones industriales programables en lenguaje grfico, lo cual ha constituido la base de la instrumentacin virtual.

1.3. Lenguajes de programacin virtual

Glosario

LabVIEWLenguaje de programacin grfico adoptado en la industria y en la aca-demia como estndar para el desa-rrollo de sistemas de instrumentacin virtual dado su poderoso conjunto de bibliotecas de funciones que permiten el desarrollo de complejos algoritmos de procesamiento de seales, ade-ms de permitir la comunicacin con cualquier protocolo de comunicacio-nes e interfaces de hardware y soft-ware existentes.

Ablestock.com/(C) 2006 Hemera Technologies/Photos.com


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1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.4. Buses y protocolos de comunicacin en instrumentacin virtual

En la actualidad existen diferentes protocolos de comunicacin utilizados para transmitir y recibir datos de mltiples dispositivos. En el mbito de la instrumentacin virtual se encuentra un conjunto de protocolos e interfaces de comuni-cacin aplicables a la transferencia de datos entre la computadora con la aplicacin virtual ejecutndose y los perifricos externos. Dichos protocolos e interfaces son:

1.4. Buses y protocolos de comunicacin en instrumentacin virtual

Glosario

General Purpose Interfaz Bus (GPIB)Interfaz de comunicaciones desarrolla-da por Hewlett Packard en la dcada de 1960 para comunicar instrumentos de medicin con las computadoras.

Compact PCI Extensions for Instru-mentation (PXI)Bus industrial creado en 1997 por Natio-nal Instruments para aplicaciones de control e instrumentacin entre peri-fricos y equipos de cmputo. Combi-na caractersticas del bus PCI y el bus Compact PCI. Su uso abarca aplicacio-nes militares, aeroespaciales y automo-trices as como prueba y verificacin de sistemas industriales y de manufactura.

VME Extensions for Instrumentation (VXI)Estndar de instrumentacin introducido en 1987 por Hewlett Packard, se basa en la arquitectura del bus VME (IEEE 1014) con algunas mejoras que permiten un mayor rendimiento, aunque mayor pre-cio que el bus PXI. Se utiliza para desa-rrollar interfaces de automatizacin de procesos y anlisis de seales industria-les.

Virtual Instruments Software Archi-tecture (VISA)Estndar para configuracin, programa-cin y depuracin de sistemas basados en instrumentacin que incluyen interfa-ces GPIB, VXI, PXI, Serial, Ethernet y/o USB. Proporciona la interfaz de progra-macin entre el hardware y los ambien-tes de programacin como LabVIEW.

Haz clic en cada interfase para desplegar la informacin.


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1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.4. Buses y protocolos de comunicacin en instrumentacin virtual Glosario

CompactRIOInterfaz basada en el uso de tecnologa FPGA (Field Programmable Gate Array) de E/S reconfigurable (Reconfigurable I/O o RIO). Incluye un chasis con ranu-ras de conexin, un controlador reconfi-gurable basado en un FPGA y mdulos para interfaces externas.

Compact DAQSistema de instrumentacin modular para adquisicin de datos con una com-putadora mediante interfaces USB y/o Ethernet con lo cual se puede tener apli-caciones de campo ya que su uso prin-cipal incluye el uso de computadoras mviles (laptops y netbooks).

Wireless Sensor Network (WSN)Plataforma de red creada por National Instruments que incluye nodos inalm-bricos de conexin para cubrir mltiples sensores que permiten el monitoreo y control de aplicaciones en reas remotas a travs del uso de redes inalmbricas.

Compact Field PointControlador industrial desarrollado por National Instruments utilizado para comunicacin de una computadora con controladores lgicos programables (PLCs) mediante el uso de un contro-lador de automatizacin programable (PAC). Se usa principalmente en apli-caciones industriales de automatizacin de procesos mediante PLCs a travs de interfaces virtuales en las computadoras.

Haz clic en cada interfase para desplegar la informacin.


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1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.5. Aplicaciones reales de instrumentacin virtual

La instrumentacin virtual involucra muchas reas de conocimiento mediante las cuales se puede realizar un sinnmero de aplicaciones. Para poder desarrollar dichas aplicaciones se re-quiere la ejecucin de tres etapas bsicas que son:

Adquisicin de seales

Procesamiento de datos

Despliegue de resultados

Para la adquisicin de seales se requiere utilizar algn mtodo de captura de parmetros fsicos en la computadora descritos anteriormen-te (Santori, 1990).

Posteriormente, ya que se tienen los datos en la computadora, se requiere procesar dicha in-formacin mediante el uso de algoritmos o tc-nicas de anlisis y procesamiento de seales de acuerdo al rea de aplicacin requerida. Dentro de los algoritmos utilizados para procesamiento de seales en un sistema de instrumentacin vir-tual se tienen:

1.5. Aplicaciones reales de instrumentacin virtual

Anlisis espectral (transformadas, JTFA, estimaciones, espectrogramas Fourier, Gabor, Choi-Williams, Wigner-Ville).

Filtrado digital (FIR, IIR, adaptivos-LMS).

Filtrado punto a punto (Butterworth, Chebyshev, Chebyshev inverso, elptico, Savitzky-Golay).

Mtodos de ventanas (Hanning, Ham-ming, Blackman, Parzen, flat top, Kaiser-Bessel, Bohman, Welch, Barlett-Hanning, Blakman-Harris, Parzen).

Ecuaciones diferenciales (Radau IIA, cash carp, Euler, Runge Kutta, Rosen-brock, Adams-Moulton).

Interpolacin y extrapolacin (poli-nomiales, racionales, grids, Lagrange, Hermite).

Operaciones con seales (convolucin, autocorrelacin, correlacin cruzada, de-convolucin, decimacin, normalizacin).

Anlisis de distorsin y ruido (SINAD, THD, potencia de espectro, densidad es-pectral).

Generacin de seales y ruido (Gauss-iano, Bernoulli, gamma, binomial, Pois-son).

Probabilidad y estadstica (histogramas, momentos, media, mediana, moda, vari-anza, desviacin estndar, correlacin, percentiles, coeficientes Spearman, Ken-dalls Tau).

Transformadas (Hilbert, Fourier FFT, DFT, DCT, DST, Laplace, Wavelet, Walsh-Hadamard, Chirp, Hartley, Dauvechies).

Integracin y diferenciacin (trapezoi-dal, regla de Simpson, regla de Bode).

Funciones polinomiales y solucin de races (mximo comn divisor, mnimo comn mltiplo, euclideano, races re-ales, complejas, pares conjugados).

Mediciones de amplitud y niveles (DC, RMS, pico, promedio, trigger, duty cycle).

Optimizacin (lineal, cuadrtica, Brent, Golden, aproximacin de Chebyshev).


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1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.5. Aplicaciones reales de instrumentacin virtual

Para el despliegue o visualizacin de los datos procesados en la computadora se pue-den utilizar grficas, archivos de datos, hojas de clculo, animaciones en 3D, y cualquier elemen-to visual que permita y facilite el entendimiento y comprensin de los datos procesados para el usuario.

Dentro de las reas de aplicacin en las cua-les se utiliza la instrumentacin virtual se encuen-tran las relacionadas con la ingeniera:

Elctrica

Electrnica

Mecatrnica

Mecnica

Biomdica

Biomecnica

Biotecnologa

Ciencias computacionales

Telecomunicaciones

Robtica

Diseo y manufactura

Automotriz

Avinica y aeroespacialChad McDermott/Business strategy organizational charts and graphs/Copyright (c) 2010 by Chad McDermott. All rights reserved./Photos.com

Con todo lo anterior se puede tener un amplio espectro de aplicaciones relacionadas con el uso de la instrumentacin virtual que hoy en da se utilizan cotidianamente y en los prximos aos su uso ir creciendo debido al constante avance tecnolgico.


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1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.6. Tendencias actuales en la instrumentacin virtual

En la actualidad se tiene el uso de la instrumentacin virtual que permite, a travs de instrumentos virtuales, interactuar con ambientes grficos computacionales desarrollando aplicaciones en diferen-tes reas de estudio las cuales se encuentran en constante evolucin debido a los rpidos avances tecnolgicos. Las tendencias actuales de la instrumentacin incluyen aplicaciones en reas de:

1.6 Tendencias actuales en la instrumentacin virtual

Algoritmos genticos

Eficiencia energtica y sistemas sustentables

Programacin dinmica

Programacin lineal y no lineal

Control y automatizacin de procesos

Sistemas embebidos y lgica reconfigurable

Reconocimiento de patrones

Inteligencia artificial y redes neuronales

Robtica y visin artificial

Interfaces hpticas inteligentes

Controladores programables

Energa renovable y sistemas ambientales

Sistemas de energa nuclear

Redes de sensores

Manufactura inteligente

Tecnologas inalmbricas

Aplicaciones mdicas

Comstock/Graphic of hand with computers connected/Photos.com


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1. Introduccin a la instrumentacin virtual1.7. Futuro de la instrumentacin virtual

La instrumentacin virtual ha sufrido una constante evolucin desde sus inicios y se ha enfatizado en la ltima dcada principalmente por los avances tecnolgicos; aunado a esto se ha tenido el incremento de reas de investigacin y estudio as como la invencin de nuevas tecnologas de reas de inge-niera (Santori, 1990). Es por ello que en la actualidad se pueden ejemplificar un sinnmero de aplicaciones de la instrumentacin virtual que hace apenas unos aos era imposible de imaginar. Por lo anterior, en los prximos aos ser ms evidente el incremento de los sistemas basados en instrumentacin virtual en diferentes reas de aplicacin de la sociedad.

Dentro de las reas de aplicacin en las que sern ms evidentes los avances en el mbito de la instrumentacin virtual, se tienen los siguientes:

1.7. Futuro de la instrumentacin virtual

Haz clic en cada concepto para desplegar la informacin.


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Conclusiones Captulo 1. Introduccin a la instrumentacin virtual

El presente captulo ofrece una introduccin al concepto de instrumenta-cin virtual, desde sus orgenes hasta la actualidad, mostrando la evolucin sufrida a lo largo de los aos hasta convertirse en el tema de actualidad para el desarrollo de cientos de aplicaciones de la vida cotidiana. Asimismo, se ha explicado el concepto de adquisicin de datos y los diferentes elementos que lo forman, as como los instrumentos de medicin ms comunes para el desarrollo de sistemas de adquisicin modernos. En el mbito de los len-guajes de programacin virtual, se ha enfatizado en el uso de programacin grfica ligada a los sistemas de instrumentacin virtual, dadas las ventajas que representa respecto a los mtodos tradicionales que han sido reempla-zados, paulatinamente, por sistemas virtuales basados en cdigos grficos.

Por otra parte, se han ilustrado los buses y protocolos de comunicacin utilizados en los sistemas de instrumentacin virtual industriales, que se pueden encontrar en la actualidad en las empresas e industrias de todos los mbitos de la sociedad. Adems, se ha incluido una descripcin de las reas de aplicacin en las que se desarrollan sistemas de instrumentacin virtual hoy en da, as como el tipo de algoritmos utilizados en dichos siste-mas, y las tendencias actuales en este concepto tan de moda para diferen-tes reas de estudio.

Finalmente, se ha realizado un anlisis de lo que se viene en los prxi-mos aos en relacin a los sistemas de instrumentacin virtual, basado en los temas tecnolgicos del momento y su impacto econmico, social, cul-tural y ambiental; as como en las tendencias tecnolgicas que hoy en da suponen la constante evolucin de los sistemas basados en el uso de la instrumentacin virtual.

Earth and digital code/Photos.com


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Captulo 1. Introduccin a la instrumentacin virtual

Actividad integradora

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La instrumentacin ha mantenido una constante evolucin desde sus ini-cios con los aparatos y dispositivos reales que miden variables fsicas hasta la invencin de la instrumentacin virtual que involucra el uso de sistemas de cmputo y la adquisicin de datos.

La instrumentacin virtual se refiere a la utilizacin de tecnologa com-putacional para desarrollar instrumentos virtuales que proporcionen una interfaz grfica intuitiva en el diseo de sistemas de instrumentacin y representa una evolucin natural de la instrumentacin tradicional.

LabVIEW es un lenguaje de programacin grfico utilizado para la imple-mentacin de interfaces grficas empleadas en sistemas de instrumenta-cin virtual que ofrece ventajas respecto a los lenguajes de programacin basados en texto.

La adquisicin de datos es un proceso para ingresar y/o extraer datos hacia o desde la computadora y forma parte de cualquier sistema de ins-trumentacin virtual.

Las tarjetas de adquisicin se utilizan para la adquisicin de parmetros fsicos obtenidos de sensores o transductores y para la generacin de se-ales provenientes de la computadora.

Las tarjetas de adquisicin pueden ser configuradas para adquirir o gene-rar seales analgicas, digitales y/o contadores/temporizadores de acuer-do a las especificaciones del fabricante.

Una vez adquiridas las seales en la computadora se ejecutan tcnicas y algoritmos de procesamiento digital de seales mediante funciones pro-porcionadas por lenguajes de programacin.

Las etapas en que se divide un sistema de instrumentacin virtual son: la adquisicin de datos, el procesamiento de la informacin y el despliegue o visualizacin de los datos procesados.

Los protocolos e interfaces de comunicacin permiten a los sistemas de instrumentacin virtual la interaccin de las seales fsicas con la com-putadora. Los ms utilizados incluyen: RS232, RS485, GPIB, PXI, VXI, CompactDAQ, CompactRIO, Compact Field Point y redes inalmbricas de sensores.

Las reas de ingeniera que abarcan las aplicaciones de instrumentacin virtual son: elctrica, electrnica, mecatrnica, mecnica, biomdica, bio-mecnica, biotecnologa, ciencias computacionales, telecomunicaciones, robtica, diseo y manufactura, automotriz, avinica y aeroespacial.

Las tendencias actuales de la instrumentacin virtual incluyen el estudio y la implementacin de sistemas basados en algoritmos genticos, control y automatizacin de procesos, sistemas embebidos y lgica reconfigurable, reconocimiento de patrones, inteligencia artificial y redes neuronales; as como robtica, visin artificial, interfaces hpticas, controladores progra-mables, aplicaciones mdicas, sistemas de energa renovable y energa nuclear, entre otros.

Resumen del captuloCaptulo 1. Introduccin a la instrumentacin virtual


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El futuro de la instrumentacin virtual aparenta un sinnmero de aplica-ciones de acuerdo a los avances tecnolgicos constantes y manifiesta un nfasis en reas relacionadas con el uso de dispositivos mviles, las re-des de telecomunicaciones, la robtica para fines mdicos y uso personal, as como de los controladores de automatizacin programables mediante sistemas multiplataforma adaptivos utilizando dispositivos reconfigurables en tiempo real.


AAdquisicin de datos (data acquisition o DAQ)Proceso mediante el cual se miden parmetros fsicos reales de variables como voltaje, corrien-te, temperatura, flujo, nivel, posicin, etc.

CCompact DAQSistema de instrumentacin modular para adqui-sicin de datos con una computadora mediante

interfaces USB y/o Ethernet con lo cual se pue-de tener aplicaciones de campo ya que su uso principal incluye el uso de computadoras mviles (laptops y netbooks).

Compact Field PointControlador industrial desarrollado por National Instruments utilizado para comunicacin de una computadora con controladores lgicos progra-mables (PLCs) mediante el uso de un controla-dor de automatizacin programable (PAC). Se usa principalmente en aplicaciones industriales de automatizacin de procesos mediante PLCs

a travs de interfaces virtuales en las computa-doras.

Compact PCI Extensions for Instrumenta-tion (PXI)Bus industrial creado en 1997 por National Ins-truments para aplicaciones de control e instru-mentacin entre perifricos y equipos de cmpu-to. Combina caractersticas del bus PCI y el bus Compact PCI. Su uso abarca aplicaciones mili-tares, aeroespaciales y automotrices, as como prueba y verificacin de sistemas industriales y de manufactura.

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

Glosario del captulo 1

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Glosario del captulo 1

CompactRIOInterfaz basada en el uso de tecnologa FPGA (Field Programmable Gate Array) de E/S recon-figurable (Reconfigurable I/O o RIO). Incluye un chasis con ranuras de conexin, un controlador reconfigurable basado en un FPGA y mdulos para interfaces externas.

GGeneral Purpose Interfaz Bus (GPIB)Interfaz de comunicaciones desarrollada por Hewlett Packard en la dcada de 1960 para co-municar instrumentos de medicin con las com-putadoras.

IInterfaz grfica de usuario (graphical user interfaz o GUI)Cdigo de programa que utiliza un conjunto de imgenes y objetos grficos para representar in-formacin y elementos disponibles que permiten la interaccin del usuario de una manera eficien-

te con la aplicacin. Su principal funcin consis-te en proporcionar un entorno visual sencillo que permita la comunicacin con el sistema operativo de una computadora.

LLabVIEWLenguaje de programacin grfico adoptado en la industria y en la academia como estndar para el desarrollo de sistemas de instrumentacin vir-tual dado su poderoso conjunto de bibliotecas de funciones que permiten el desarrollo de com-plejos algoritmos de procesamiento de seales, adems de permitir la comunicacin con cual-quier protocolo de comunicaciones e interfaces de hardware y software existentes.

SSensor o transductorDispositivo utilizado para la adquisicin de datos que proporciona seales elctricas proporciona-les a la magnitud fsica de la variable a medir.

VVirtual Instruments Software Architecture (VISA)Estndar para configuracin, programacin y de-puracin de sistemas basados en instrumenta-cin que incluyen interfaces GPIB, VXI, PXI, Se-rial, Ethernet y/o USB. Proporciona la interfaz de programacin entre el hardware y los ambientes de programacin como LabVIEW.

VME Extensions for Instrumentation (VXI)Estndar de instrumentacin introducido en 1987 por Hewlett Packard, se basa en la arquitectura del bus VME (IEEE 1014) con algunas mejoras que permiten un mayor rendimiento, aunque ma-yor precio que el bus PXI. Se utiliza para desa-rrollar interfaces de automatizacin de procesos y anlisis de seales industriales.

A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

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Glosario del captulo 1A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U V W X Y Z

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WWireless Sensor Network (WSN)Plataforma de red creada por National Instruments que incluye nodos inalmbricos de conexin para cubrir mltiples sensores que permiten el monito-reo y control de aplicaciones en reas remotas a travs del uso de redes inalmbricas.


Recursos del captulo 1

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Aplicaciones en industria y casos de estudio

Portal para descarga de casos documentados de aplicaciones industriales y acadmicas utilizando productos de National Instruments.

http://www.ni.com/solutions/esa/http://sine.ni.com/cs/app/main

Facebook

Red social para comunicacin y comparticin de contenido relacionado al lenguaje grfico de LabVIEW con usuarios.

http://www.facebook.com/labview

National Instruments

Sitio web de la empresa desarrolladora del hardware y software utilizado y referenciado en el presente ebook.

http://www.ni.com/

Twitter

Red social basada en microblogging, para envo y publicacin de mensajes instantneos, SMS o interfaces web con contenido relacionado con Lab-VIEW.

http://twitter.com/#!/labview

http://www.ni.com/solutions/esahttp://sine.ni.com/cs/app/mainhttp://www.facebook.com/labviewhttp://www.ni.com/http://twitter.com/#!/labview


Recursos del captulo 1

Pg. 2 de 2

Denning, P. J. (2001). Origin of virtual machines and other virtualities. En IEEE Annals of the History of Computing, 23(3), 73.

Goldberg, H. (2000). What is virtual instrumentation? En IEEE Instrumen-tation and Measurement Magazine, 3(4), 10-13.

National Instruments (2011). Recuperado el 12 de abril, 2011, de http://www.ni.com

Rosenbloom, A. (2002). How the virtual inspires the real. En Communica-tions of the ACM, 45(7), 29-30.

Rosol, M., Pilat, A. y Turnau, A. (2010). Real-time controller design based on NI compact RIO. En IEEE International Multiconference on Computer Science and Information Technology, 1-6.

Sachenko, A. (2002). Intelligent data acquisition and advanced computing systems. En Computer Standards & Interfaces, 24(2), 97-100.

Santori, M. (1990). An instrument that isnt really. En IEEE Spectrum, 27(8), 36-39.

Tracht, A.E. (1993). Adapting laptops to data acquisition. En IEEE Spec-trum 30(10), 45-47.

http://www.ni.com


Introduccin del eBook iiiIntroduccin a la instrumentacin virtual vi

1.1. Evolucin de la instrumentacin 11.2. Adquisicin de datos 31.3. Lenguajes de programacin virtual 51.4. Buses y protocolos de comunicacin en instrumentacin virtual 61.5. Aplicaciones reales de instrumentacin virtual 81.6 Tendencias actuales en la instrumentacin virtual 101.7. Futuro de la instrumentacin virtual 11

Conclusiones 12Actividad integradora 13Resumen del captulo 14

Glosario del captulo 1 16Recursos del captulo 1 19

Ambiente grfico de programacin LabVIEW 222.1. Front panel y diagrama de bloques 242.2. Barras de herramientas en front panel y diagrama de blo-ques 252.3. Tipos de paletas 272.4. Tcnicas de prueba y verificacin de programas (depura-cin) 292.5. Controles, indicadores y constantes 312.6. Datos numricos, booleanos y strings 322.7. Datos escalares, arreglos y clusters 332.8. Funciones numricas 382.9. Funciones booleanas 41

ndice2.10. Funciones booleanas 422.11. Funciones de temporizacin 432.12. Coercin 452.13. Programacin modular: subprogramas 48



Arreglos y clusters 603.1. Arreglos 613.2. Tipo de arreglos 623.3. Funciones para manipulacin de arreglos 733.4. Polimorfismo 1083.5. Clusters 1093.6. Funciones de manipulacin de clusters 113



Estructuras y elementos de programacin 1234.1. Ciclos While 1254.2. Ciclos For 1284.3. Estructura Case 1304.4. Nodo de frmulas 1354.5. Estructuras de secuencia: flat y stacked 137

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4.6. Estructuras de Eventos 1404.7. Registros de desplazamiento 1414.8. Nodos de retroalimentacin 1454.9. Autoindexado 146



Strings y manejo de archivos 1625.1. Modos de visualizacin de strings 1635.2. Tipos de strings 1655.3. Constantes strings predefinidas 1695.4. Funciones para manipulacin de strings 1705.5. Funciones para manipulacin de archivos 1945.6. Tipos de grficas 2025.7. Grficas Waveform Chart 2035.8. Grficas Waveform Graph 2075.9. Grficas XY Graph 2115.10. Grficas de intensidad 2125.11. Grficas 3D 213



Adquisicin de datos 222

ndice6.1. Caractersticas de tarjetas de adquisicin 2236.2 Tipos de adquisicin de datos 2276.3 MAX Software 2296.4 Funciones de LabVIEW para adquisicin de datos 2326.5 DAQ Assistant 2336.6 Funciones DAQmx 2446.7 Ejemplos de adquisicin de datos 247



Estructuras y funciones avanzadas 2647.1 Arquitecturas de programacin 2657.2 Variables locales 2707.3 Variables globales 2727.4 Nodos de propiedad 2737.5 Referencias 2757.6 Sincronizacin 2777.7 Manejo de errores 2817.8 Diseo de aplicaciones y documentacin 285



Conectividad 298

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8.1 Asistente para publicacin en Web 2998.2 Funciones TCP/IP 3028.3 Funciones UDP 3048.4 Funciones Data Socket 3068.5 Servidor VI 3098.6 Puerto serial 3118.7 Interfaz Bluetooth 3158.8 Correo electrnico 3198.9 Opciones avanzadas de conectividad 322


Glosario del captulo 8 330Recursos del captulo 8 332Glosario general 334Referencias 343Ligas de inters 344ndice 350

ndice

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Pineda, Alejandro


/ Alejandro Pineda

358 p. cm.

1. LabVIEW. 2. Grficas por computadora

3. Instrumentos cientficosSimulacin por computadora

LC: Q183.A1 Dewey: 006

eBook editado, diseado, publicado y distribuido por el Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey.

Se prohbe la reproduccin total o parcial de esta obra por cualquier medio sin previo y expreso consentimiento por escrito del Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey.

D.R. Instituto Tecnolgico y de Estudios Superiores de Monterrey, Mxico. 2011

Ave. Eugenio Garza Sada 2501 Sur Col. Tecnolgico C.P. 64849 | Monterrey, Nuevo Len | Mxico.

ISBN en trmite.

Edicin: enero del 2012.

INTRODUCCIONMAPA 1MAPA EBOOKPORTADA1.11.21.31.41.51.61.7actividad1glosario1conclusion1resumen1recursos1LIGAS LIBROREFERENCIAS LIBROINDICE LIBROGLOSARIO LIBROiINTRO1MAPA2INTRO22.12.22.32.42.52.62.72.82.92.102.112.122.13conclusion2actividad2glosario2resumen2recursos2intro3MAPA33.13.23.33.43.53.6conclusion3actividad3resumen3glosario3recursos3MAPA4intro44.14.24.34.44.54.64.74.84.9conclusion4actividad4resumen4glosario4recursos4MAPA5INTRO55.15.25.35.45.55.65.75.85.9conclusion5actividad5resumen5glosario5recursos5MAPA65.115.10INTRO66.1_GoBack_GoBackIntroduccin del eBookIntroduccin a la instrumentacin virtual1.1. Evolucin de la instrumentacin1.2. Adquisicin de datos1.3. Lenguajes de programacin virtual1.4. Buses y protocolos de comunicacin en instrumentacin virtual1.5. Aplicaciones reales de instrumentacin virtual1.6 Tendencias actuales en la instrumentacin virtual1.7. Futuro de la instrumentacin virtual

Conclusiones Actividad integradoraResumen del captulo

Glosario del captulo 1Recursos del captulo 1Ambiente grfico de programacin LabVIEW2.1. Front panel y diagrama de bloques2.2. Barras de herramientas en front panel y diagrama de bloques2.3. Tipos de paletas2.4. Tcnicas de prueba y verificacin de programas (depuracin)2.5. Controles, indicadores y constantes2.6. Datos numricos, booleanos y strings2.7. Datos escalares, arreglos y clusters2.8. Funciones numricas2.9. Funciones booleanas2.10. Funciones booleanas2.11. Funciones de temporizacin2.12. Coercin2.13. Programacin modular: subprogramas


Glosario del captulo 2Recursos del captulo 2Arreglos y clusters3.1. Arreglos3.2. Tipo de arreglos3.3. Funciones para manipulacin de arreglos3.4. Polimorfismo3.5. Clusters3.6. Funciones de manipulacin de clusters


Glosario del captulo 3Recursos del captulo 3Estructuras y elementos de programacin4.1. Ciclos While4.2. Tipo de arreglos4.3. Estructura Case4.4. Nodo de frmulas4.5. Estructuras de secuencia: flat y stacked4.6. Nodo de frmulas4.7. Registros de desplazamiento4.8. Nodos de retroalimentacin4.9. Autoindexado


Glosario del captulo 4Recursos del captulo 4Strings y manejo de archivos5.1. Modos de visualizacin de strings5.2. Tipos de strings5.3. Constantes strings predefinidas5.4. Funciones para manipulacin de strings 5.5. Funciones para manipulacin de archivos 5.6. Tipos de grficas 5.7. Grficas Waveform Chart5.8. Grficas Waveform Graph5.9. Grficas XY Graph5.10. Grficas de intensidad5.11. Grficas 3D


Glosario del captulo 5Recursos del captulo 5Adquisicin de datos6.1. Caractersticas de tarjetas de adquisicin6.2 Tipos de adquisicin de datos6.3 MAX Software6.4 Funciones de LabVIEW para adquisicin de datos6.5 DAQ Assistant6.6 Funciones DAQmx6.7 Ejemplos de adquisicin de datos


Glosario del captulo 6Recursos del captulo 6Estructuras y funciones avanzadas7.1 Arquitecturas de programacin7.2 Variables locales7.3 Variables globales7.4 Nodos de propiedad7.5 Referencias7.6 Sincronizacin7.7 Manejo de errores7.8 Diseo de aplicaciones y documentacin


Glosario del captulo 7Recursos del captulo 7Conectividad8.1 Asistente para publicacin en Web8.2 Funciones TCP/IP8.3 Funciones UDP8.4 Funciones Data Socket8.5 Servidor VI8.6 Puerto serial8.7 Interfaz Bluetooth8.8 Correo electrnico8.9 Opciones avanzadas de conectividad


Glosario del captulo 8Recursos del captulo 8Glosario generalReferenciasLigas de intersndice

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capítulo 1. introducción a la instrumentación virtual

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